夏煥文，劉 焱，買靖東，匡晉安，于艷秋

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

冷卻風(fēng)扇是車輛散熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力能，通過熱交換器帶走整車熱量，維持車輛的熱平衡，保證車輛正常工作.而冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)又直接影響冷卻風(fēng)扇性能及可靠性，一旦因結(jié)構(gòu)原因?qū)е吕鋮s風(fēng)扇性能異常、故障或失效，將使車輛停止工作，或損壞相關(guān)聯(lián)部件乃至損壞發(fā)動機.因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須十分慎重，確保冷卻風(fēng)扇性能及可靠性符合使用要求.

1 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子、馬達、連接盤、壓板、螺栓等主要元件組成，其原始結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.

圖1 冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)

冷卻風(fēng)扇改進結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子、馬達、連接盤、套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等主要元件組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示.

圖2 冷卻風(fēng)扇改進后的結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu) (圖1)工作原理是:固定在風(fēng)扇靜子上的馬達工作時，其花鍵軸旋轉(zhuǎn)帶動通過壓板、螺栓固定在馬達花鍵軸上的連接盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的連接盤與風(fēng)扇葉輪固定而帶動風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)，冷卻風(fēng)扇工作.工作時，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過連接盤直接作用在馬達花鍵軸上，亦即馬達上，再通過馬達傳遞到風(fēng)扇靜子上，最終作用在車輛上.

冷卻風(fēng)扇改進后的結(jié)構(gòu) (圖2)工作原理是:固定在風(fēng)扇靜子上的馬達工作時，其花鍵軸旋轉(zhuǎn)帶動套軸旋轉(zhuǎn)，套軸通過平鍵與連接盤固定使連接盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的連接盤與風(fēng)扇葉輪固定而帶動風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)，同時，旋轉(zhuǎn)的套軸通過軸承支撐在風(fēng)扇靜子上，通過馬達回油經(jīng)潤滑油管供油給軸承潤滑，冷卻風(fēng)扇工作.工作時，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過連接盤、平鍵直接作用在套軸上，再通過套軸上的軸承傳遞到風(fēng)扇靜子上，最終作用在車輛上，此時馬達僅承受風(fēng)扇葉輪的純扭矩作用.

2 冷卻風(fēng)扇失效分析及其結(jié)構(gòu)改進

2.1 冷卻風(fēng)扇的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計

冷卻風(fēng)扇的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計 (圖1)是依據(jù)冷卻風(fēng)扇參數(shù)及馬達樣本［1］相關(guān)參數(shù)計算、校核設(shè)計而成，臺架性能試驗滿足設(shè)計要求.樣車使用時，發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇失效，外部特征表現(xiàn)為風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子碎，風(fēng)扇靜子的支撐筋斷，馬達軸斷，見圖3、圖4，可靠性不能滿足實車使用要求.

圖3 冷卻風(fēng)扇失效圖

圖4 馬達失效圖

2.2 冷卻風(fēng)扇失效分析

經(jīng)過分解失效冷卻風(fēng)扇，并對其失效零部件進行分析、計算、校核、檢測、試驗，得出:

1)風(fēng)扇靜子的支撐筋與葉片之間的距離小、支撐筋的截面形狀不合理.冷卻風(fēng)扇工作時，氣體流動經(jīng)過支撐筋，其后產(chǎn)生卡門渦街，卡門渦街的強度與支撐筋的截面形狀直接相關(guān)，現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較強的卡門渦街;卡門渦街對高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生附加外力，該附加外力的大小又和支撐筋與葉片間的距離直接相關(guān)，由于距離過小，產(chǎn)生了較大的附加外力.

2)風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子集成后，風(fēng)扇葉輪本身的固有頻率對應(yīng)的耦合轉(zhuǎn)速在風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在氣動力和卡門渦街產(chǎn)生的作用力共同激勵下，風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子產(chǎn)生了共振.

3)高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過連接盤直接作用在馬達的花鍵軸上，該力已到馬達承力極限邊緣.

2.3 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進

依據(jù)冷卻風(fēng)扇失效分析結(jié)果，對相關(guān)零部件進行了理論計算、校核，作了如下結(jié)構(gòu)改進:

1)將風(fēng)扇靜子支撐筋的截面形狀由原來的近似橢圓形 (圖5)改成類似機翼形 (圖6).

圖5 原支撐筋截面形狀

圖6 改進后支撐筋截面形狀

2)將風(fēng)扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄 (圖7);將風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處移至風(fēng)扇葉輪中心，并增加風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處的厚度 (圖2).

圖7 改進后的風(fēng)扇葉輪

3)增加套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等結(jié)構(gòu)件，集成風(fēng)扇靜子組成新的傳動裝置 (圖2).

4)改變風(fēng)扇靜子支撐筋的角度，使支撐筋與葉片間保持平行，且支撐筋與葉片間距離盡可能放大 (圖1、圖2).

2.4 結(jié)構(gòu)改進后的效果

1)風(fēng)扇靜子支撐筋的截面形狀由原來的近似橢圓形改成類似機翼形，可改變卡門渦街形態(tài)，減小卡門渦街的強度.

2)將風(fēng)扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄、風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處移至風(fēng)扇葉輪中心、并增加風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處的厚度，可減小葉片根部應(yīng)力水平［2-3］，改善應(yīng)力分布;改變風(fēng)扇葉輪本身固有頻率，避開風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子的耦合轉(zhuǎn)速在風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，消除氣動力和卡門渦街的激勵而產(chǎn)生的共振.

3)增加套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等結(jié)構(gòu)件，集成風(fēng)扇靜子組成新的傳動裝置，完全改變了馬達花鍵軸的受力狀態(tài)，馬達花鍵軸只傳遞扭矩;套軸通過平鍵與連接盤及風(fēng)扇葉輪連接，使高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪運行更加穩(wěn)定.風(fēng)扇葉輪除扭矩外的一切作用力通過連接盤、套軸、軸承經(jīng)風(fēng)扇靜子直接傳到車體，改善了風(fēng)扇葉輪的運動狀態(tài)，同時也改善了冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài).

4)改變風(fēng)扇靜子支撐筋的角度，使支撐筋與葉片間保持平行，且支撐筋與葉片間距離盡可能放大，盡量消除或減小卡門渦街對風(fēng)扇葉輪的影響，減小或避免了卡門渦街對風(fēng)扇葉輪的激勵.

3 試驗驗證

3.1 風(fēng)扇葉輪固有頻率試驗

通過激振試驗，其平均固有頻率為466 Hz，比未改進的風(fēng)扇葉輪平均固有頻率提高63 Hz，風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子的耦合轉(zhuǎn)速為5592 r/min，已避開風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速.

3.2 冷卻風(fēng)扇臺架強化有限壽命考核試驗

依據(jù)車輛使用壽命，進行了臺架強化有限壽命考核試驗，試驗結(jié)果見表1.

表1 考核時間分配表

強化試驗結(jié)果表明:總試驗時間達502.5 h后，冷卻風(fēng)扇工作正常.樣車使用狀況良好，滿足車輛可靠性要求.

4 結(jié)論

1)通過對冷卻風(fēng)扇的改進設(shè)計，掌握了該冷卻風(fēng)扇的設(shè)計方法，積累了經(jīng)驗，為同類產(chǎn)品的設(shè)計奠定了基礎(chǔ).

2)各種試驗結(jié)果說明:改進后的冷卻風(fēng)扇，結(jié)構(gòu)合理，各部件之間匹配良好，滿足車輛設(shè)計要求、系統(tǒng)要求、可靠性要求及使用要求.

［1］博世力士樂 (中國)有限公司，行走機械用液壓及電子控制元件樣本 ［M］.RC 64017，2008.

［2］JIFENG Wang，QUBOLI，NORBERT MULLER.Me chanical And Optimization Analyses For Novel Wound Composite Axial Impeller［C］.//2009 ASME International Mechanical Engineering Congress And Exposition，2009.

［3］陶春虎，習(xí)年生，張衛(wèi)方.斷口反推疲勞應(yīng)力的新進展 ［J］.航空材料學(xué)報，2000，20(3):158-163.